(57)【要約】【課題】  高電流密度域から低電流密度域までの広範囲な電池反応における水分管理に優れ、電池反応を阻害することなく、ガスの透過も均一である固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜を提供する。【解決手段】  ガス拡散膜１０において、疎水性バインダー樹脂及び導電性材料から形成された疎水性多孔質膜１２の表面から裏面に向かって凹部１３を設ける。このガス拡散膜１０を、その裏面が電極側にくるよう燃料電池内に配置すれば優れた水分管理能力を発揮する。即ち、低電流密度域では、発生した水は多孔質膜が疎水性のため逸脱が防止され電解質膜が保水され、高電流密度域では、大量に発生した水は水蒸気となり多孔質膜の孔を通じて拡散し多孔質膜内で凝縮されるが生じた水は凹部を水路として排出される。また、電極と接する裏面が平滑なので電極との接触面積が大きく電池反応を阻害しない。さらに、多孔質膜に貫通孔を設けていないのでガスの透過も均一となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散膜であって、前記ガス拡散膜は、疎水性バインダー樹脂および導電性材料から形成された疎水性多孔質膜であり、この多孔質膜の表面から裏面に向かって凹部が形成されているガス拡散膜。
【請求項２】
前記凹部が、水の流路として機能する請求項１記載のガス拡散膜。
【請求項３】
前記凹部の形状が、穴状である請求項１または２記載のガス拡散膜。
【請求項４】
前記穴状の凹部において、その最大内径が１０〜２０００μｍの範囲であり、深さが膜厚みの１０〜９０％の範囲である請求項３記載のガス拡散膜。
【請求項５】
前記凹部の形状が、溝状である請求項１または２記載のガス拡散膜。
【請求項６】
前記溝状の凹部において、その最大幅が１０〜５００μｍの範囲であり、深さが膜厚みの１０〜９０％の範囲である請求項５記載のガス拡散膜。
【請求項７】
前記凹部が複数形成されている請求項１から６のいずれかに記載のガス拡散膜。
【請求項８】
前記疎水性バインダー樹脂が、フッ素樹脂である請求項１から７のいずれかに記載のガス拡散膜。
【請求項９】
前記フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレンである請求項８記載のガス拡散膜。
【請求項１０】
前記導電性材料が、カーボンブラック粒子、グラファイト粒子および炭素繊維からなる群から選択された少なくとも一つである請求項１から９のいずれかに記載のガス拡散膜。
【請求項１１】
前記多孔質膜の表面に基材が配置されている請求項１から１０のいずれかに記載のガス拡散膜。
【請求項１２】
前記基材が、カーボンペーパ、カーボンクロスおよびカーボンフェルトからなる群から選択された少なくとも一つである請求項１１記載のガス拡散膜。
【請求項１３】
電解質膜を介して一対の電極が配置され、前記電極のそれぞれの外側に、一対のガス拡散膜が配置された固体高分子電解質型燃料電池であって、前記ガス拡散膜が、請求項１から１２のいずれかに記載のガス拡散膜である固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーで環境にもやさしいという理由により、燃料電池が注目されており、自動車等で一部実用化されている。燃料電池は様々なタイプがあるが、図７に、固体高分子電解質型燃料電池の一例を示す。図示のように、この固体高分子電解質型燃料電池は、電解質膜（ＰＥＭ）６５、一対の電極６４、一対のガス拡散膜６３および一対のセパレータ６１を主要構成部材として、これらの部材で一つのセルが形成されている。前記ＰＥＭ６５は、プロトン伝導性を持ち、その外側に、貴金属を含む一対の電極６４が配置され、その一方がアノードに、他方がカソードになる。前記両電極６４のそれぞれの外側に、一対のガス拡散膜６３が配置されている。前記ガス拡散膜６３は、水素ガス、酸素（空気）を透過、拡散し、また生成した水を排水させ、且つ電極で発生した電子を集電、伝導する役割を果たす。さらに、前記ガス拡散膜６３のそれぞれの外側にガス流路６２が設けられたセパレータ６１が配置されている。前記固体高分子電解質型燃料電池において、アノードには水素が供給され、触媒によりプロトンが生成する。このプロトンは、電解質膜を通り、カソードに達し、電子と結合し、水が生成する。電解質膜のプロトンの伝導度は、膜内の水分によって変化し、水分量が多いと伝導度は上がり、水分量が少ないと伝導度は下がる。固体高分子電解質型燃料電池において、水分の管理は極めて重要であり、カソードでの水の排水および電解質膜の保水を両立させることが必要である。
【０００３】
従来から、集電体となるカーボンペーパ等に層を設けたものを、ガス拡散膜とし、水分の制御が行われている（特許文献１参照）。図８に、前記ガス拡散膜の一例を示す。図示のように、このガス拡散膜７０は、カーボンペーパ７７と疎水層７６とで形成されている。前記カーボンペーパ７７は、基材としての役割を持つ。前記疎水層７６は、カーボンやそれに類似する導電性材料とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等の疎水性バインダー樹脂との混合ペーストを前記カーボンペーパ７７に塗布することで形成される。基材となるカーボンペーパ７７と疎水層７６を含めてガス拡散膜７０とし、疎水層の側に電極を配置して、固体高分子電解質型燃料電池の水分管理に用いている。図９に、前記ガス拡散膜７０を固体高分子電解質型燃料電池に適用した例を示す。図示のように、ＰＥＭ８５の外側には、電極（アノード若しくはカソード）８４が配置され、その外側にガス拡散膜７０が配置され、その外側にセパレータ８１が配置されている。ガス拡散膜７０は、その疎水層７６が電極８４側に位置し、かつその基材層７７がセパレータ８１側に位置する状態で、配置されている。しかしながら、前記導電性材料と疎水性バインダー樹脂との混合ペーストを塗布したガス拡散膜では、電池出力を上げた高電流密度域では、より多くの水が生成し、水の排水が不十分となり、カソード側のガス拡散膜内で凝縮した水がガス拡散を阻害し、急激に電池性能が低下するという問題があった。その一方で、低電流密度域では、少ない水の生成量に対して排水が良過ぎ、電解質膜が渇れてしまい、電池性能が低下するという問題があった。すなわち、この種のガス拡散膜では、高電流密度域から低電流密度域までの広範囲な電池反応で排水・保水の両立を達成するのが困難であった。また、混合ペーストを塗布する方法では、層厚みが一定にならず、水分管理が部分的に異なるため、電池反応が不均一に起こり、これに起因して電池性能が低下するという問題もあった。
【０００４】
そこで、前記導電性材料と疎水性バインダー樹脂との混合ペーストを膜状に成形し、貫通孔を形成し、ガス通路と水通路の区別を行い、スムーズにガス拡散と排水が行えるようにしたガス拡散膜が開発された（特許文献２参照）。図１０に、このガス拡散膜を固体高分子電解質型燃料電池に適用した例を示す。図示のように、この例では、ＰＥＭ９５の外側に、電極（アノード若しくはカソード）９４が配置され、その外側に、ガス拡散膜９０が配置され、その外側にセパレータ９１が配置されている。前記ガス拡散膜９０は、ガス拡散層９６と基材層９７とから形成され、ガス拡散層９６には、ガス透過孔９８と水透過孔９９が形成されている。そして、前記ガス拡散膜９０は、そのガス拡散層９６が電極９４側に位置し、かつその基材層９７がセパレータ９１側に位置する状態で配置されている。しかしながら、前記貫通孔を設けたガス拡散膜では、電極９４とガス拡散膜９６の接触面積が減少するため、電子移動が妨げられ、高電流密度域で電池反応が阻害されるという問題があった。さらに、貫通孔部分でガスが通りやすくなり、電極に供給されるガス量が部分的にばらつき、反応部位の差により熱分布が生じ、触媒の失活により電池寿命が短くなるという問題もあった。
【特許文献１】特許第３３８２２１３号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高電流密度域から低電流密度域までの広範囲な電池反応における水分管理に優れ、電池反応を阻害することなく、ガスの透過も均一である固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜は、疎水性バインダー樹脂および導電性材料から形成された疎水性多孔質膜であり、この多孔質膜の表面から裏面に向かって凹部が形成されているガス拡散膜である。
【発明の効果】
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池において、本発明のガス拡散膜を、その表面がセパレータ側に位置し、その裏面が電極側に位置するように配置すれば、高電流密度域から低電流密度域の広範囲の電池反応において、優れた水分管理能力を発揮する。すなわち、低電流密度域では、発生した水は、前記多孔質膜が疎水性であるため、その逸脱が防止されるから電解質膜の保水がよくなる。一方、高電流密度域では、大量に発生した水は、水蒸気となって前記多孔質膜の孔を通じて拡散し、かつ前記多孔質膜内で凝縮されるが、生じた水は、前記凹部を水路として外部に排出される。そして、本発明のガス拡散膜では、電極と接触する裏面は平滑であるため電極との接触面積が大きく、この結果、電池反応を阻害することがない。さらに、本発明のガス拡散膜において、前記多孔質膜に貫通孔を設けていないので、ガスの透過も均一となり、この結果、部分発熱も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
前述のように、本発明のガス拡散膜の凹部は、水の流路として機能するのが好ましい。高電流密度域で大量に発生した水を速やかに排水し、電池性能を維持できるからである。
【０００９】
本発明のガス拡散膜の凹部の形状は特に制限されず、例えば、穴状でもよいし、溝状であってもよい。前記凹部の大きさも特に制限されず、穴状の場合、最大内径は、例えば、１０〜２０００μｍの範囲であり、好ましくは１０〜５００μｍの範囲であり、より好ましくは５０〜２００μｍの範囲であり、深さは、例えば、膜厚みの１０〜９０％の範囲であり、好ましくは３０〜８０％の範囲であり、より好ましくは４０〜８０％の範囲である。また、前記凹部が溝状の場合、その大きさは特に制限されず、最大幅は、例えば、１０〜５００μｍの範囲であり、好ましくは１０〜３００μｍの範囲であり、より好ましくは５０〜１００μｍの範囲であり、深さは、例えば、膜厚みの１０〜９０％の範囲であり、好ましくは３０〜８０％の範囲であり、より好ましくは４０〜８０％の範囲である。
【００１０】
本発明のガス拡散膜の凹部は、複数形成されているのが好ましい。より速やかに排水を行うことができるからである。前記凹部の個数は、特に制限されず、例えば、凹部の大きさ、燃料電池の規格等により適宜決定することができる。例えば、前記凹部の形状が穴状の場合、その個数は、例えば、１０〜２５０００個／ｃｍ2、好ましくは１０００〜２００００個／ｃｍ2、より好ましくは３０００〜１００００個／ｃｍ2であり、前記凹部の形状が溝状の場合、その個数は、例えば、５〜５０００個／ｃｍ2、好ましくは１００〜１０００個／ｃｍ2、より好ましくは２００〜５００個／ｃｍ2である。また、前記凹部は、多孔質膜表面に均一に形成してもよいし、一部に偏った状態で形成してもよい。
【００１１】
本発明のガス拡散膜において、前記疎水性バインダー樹脂は、特に制限されず、例えば、フッ素樹脂、ポリシロキサン、ポリイソブチレン等があり、この中でも、耐酸化性、耐水性に優れ、化学的に安定であるという理由により、フッ素樹脂が好ましい。フッ素樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体等があるが、この中でもＰＴＦＥが好ましい。粒子間結着により強固な多孔構造をとるからである。
【００１２】
本発明のガス拡散膜において、前記導電性材料は、特に制限されないが、例えば、カーボンブラック粒子、グラファイト粒子および炭素繊維があげられ、これらは単独で使用してもよいし、２種類以上で併用してもよい。この中で好ましいのは、カーボンブラック粒子、グラファイト粒子であり、より好ましいのは、カーボンブラック粒子である。導電性に優れ、粒子径が小さいことから、水透過性にも優れるからである。
【００１３】
本発明のガス拡散膜は、補強等を目的として、その多孔質膜の表面に基材が配置されているのが好ましい。前記基材としては、導電性に優れるという理由から、カーボンペーパ、カーボンクロスおよびカーボンフェルトが好ましく、これらは単独で使用してもよいし、２種類以上で併用してもよい。
【００１４】
つぎに、本発明のガス拡散膜の製造方法の一例について説明する。
【００１５】
本発明のガス拡散膜は、疎水性バインダー樹脂と導電性材料との混合ペーストを多孔質膜構造に成形し、前記多孔質膜の表面から裏面に向かって凹部を設けることで製造される。
【００１６】
前記疎水性バインダー樹脂の材質は、前述のとおりである。
【００１７】
前記導電性材料の材質は、前述のとおりである。前記導電性材料の平均粒子径は、例えば、２０ｎｍ〜５０μｍの範囲であり、好ましくは４０ｎｍ〜１０μｍの範囲である。
【００１８】
つぎに、前記疎水性バインダー樹脂と導電性材料とを混合する。混合比率は、前記両材料の合計重量中（固形分換算）、導電性材料が４０〜９５％、好ましくは５０〜９０％、疎水性バインダー樹脂が５〜６０％、好ましくは１０〜５０％の範囲である。混合方法としては、例えば、ＰＴＦＥファインパウダーとカーボンブラック粒子をドライ状態でヘンシェルミキサー等で混合する方法、水若しくは有機溶剤にカーボンブラック粒子を攪拌しながら投入し、さらにＰＴＦＥディスパージョンを滴下する方法等が挙げられる。必要に応じて、界面活性剤を投入してもよい。液媒体で混合した場合、乾燥等を行って溶剤を除去し、粉体を得る。
【００１９】
つぎに、前記混和物に成形助剤を加えた後、予備成形を行う。前記成形助剤としては、特に制限されず、例えば、ナフサ、ホワイトオイル、流動パラフィン、トルエン、キシレン等の炭化水素油や、アルコール類、ケトン類およびエステル類の有機溶剤等を使用できる。また、これらは、単独で使用してもよく、若しくは二種類以上を併用してもよい。環境保護の点から、直鎖状炭化水素系で低沸点の溶剤を用いるのが好ましい。予備成形の方法は、特に制限されないが、例えば、ドラムミキサーや回転体上で容器ごと回す方法、成形助剤を噴霧しながら攪拌する方法等が挙げられる。ダマを作らず、疎水性バインダー樹脂の繊維化を極力起こさないように予備成形するのが好ましい。
【００２０】
つぎに、前記予備成形物をシート状に成形する。前記成形方法としては、例えば、前記予備成形物をロッド状に押し出した後、対になったロールにより圧延する圧延法や、板状に押し出してシート状にする押し出し法が挙げられる。また、前記両方の方法を組み合わせてもよい。前記シートを乾燥し、成形助剤を除去して多孔質膜を得る。前記乾燥方法としては、加熱法または抽出法等が挙げられる。前記抽出法に使用する溶媒は、特に制限されないが、例えば、ノルマルデカン、ドデカン、ナフサ、ケロシン、スモイル等が挙げられる。前記多孔質膜の膜厚は、２０〜３００μｍの範囲にあるのが好ましく、また、孔径は、例えば、１〜３０μｍの範囲であり、好ましくは２〜２０μmの範囲であり、より好ましくは５〜１５μｍの範囲である。なお、本発明における前記多孔質膜は、前述の製造方法に制限されず、他の製造方法で製造されてもよい。
【００２１】
つぎに、前記多孔質膜の表面から裏面に向かって凹部を設ける。前記多孔質膜の表面に、内径１０μｍ〜２ｍｍの凹部を深さ１０μｍ刻みで設ける。なお、凹部形成の際には、裏面まで貫通しないようにする。前記凹部の加工方法は、特に制限されず、先端の鋭い針等を使用したり、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザまたは超短パルスレーザ等のレーザを使用したりして、加工することができる。
【００２２】
前記凹部の形状は、前述のとおり、特に制限されず、穴状や溝状であってもよいし、その他の形状であってもよい。前記穴状の凹部は、円形や楕円形であってもよいし、その他の形状であってもよい。長径と短径の差が大きい形状の場合には、長径を、直線状だけでなく、曲線状や折れ曲がり線状の形状とすることもできる。また、柱状や錐状の凹部であってもよいし、螺旋状に加工してもよい。また、凹部の加工点の配列は、特に制限されず、例えば、図３に示すように格子状に配列してもよいし、図４に示すように千鳥状に配列してもよい。また、前記凹部は、図５に示すような溝状の加工としてもよい。凹部が溝状の場合、図５に示すように、寸法の長い方向の寸法Ｌ1を「長さ」、短い方向の最大寸法Ｌ2を「最大幅」とする。
【００２３】
前記凹部の加工には、微細な加工が可能な点から、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザまたは超短パルスレーザ等のレーザが好ましく用いられ、中でも紫外線波長領域〜近赤外線波長領域の波長を有する、パルス幅が１０-6秒以下のフェムト秒パルスレーザが特に好ましく用いられる。フェムト秒パルスレーザを用いると、パルスエネルギーが高いので、多光子吸収過程を利用したレーザ加工を行うことが可能で、その尖塔のパワーにより、波長より短い幅の微細加工を行うことができるようになる。例えば、最小の径又は幅が２００μｍ以下である微小凹部（特に、短径が０．０５〜２００μｍであり、且つ長径が０．０５μｍ以上（例えば、０．０５〜１０００００μｍ）である微小凹部）を形成できるようになる。レーザ照射時に焦点距離を変えることにより、照射径が変わり、その結果、形成される凹部の径も変わる。また、レーザによる加工では、加工時に高温になることで、凹部表面の官能基が減少し、疎水性が高まり、撥水性が向上する。なお、レーザは、その照射方向に対して垂直な方向に、且つ前記多孔質膜の表面に対して平行な方向に、レーザの焦点を移動させながら照射するのが好ましい。
【００２４】
以上のようにして、本発明のガス拡散膜を製造できる。図１に、本発明のガス拡散膜の一例を示す。図示のとおり、本発明のガス拡散膜１０は、疎水性バインダー樹脂と導電性材料から形成された多孔質膜１２の表面から裏面に向かって凹部１３が設けられている。
【００２５】
なお、本発明のガス拡散膜は、必要に応じて、撥水処理剤でコーティングしてもよい。前記撥水処理剤としては、特に制限されず、市販の撥水処理剤を使用できる。例えば、各種のフッ素系撥水処理剤を用いることができ、中でもパーフルオロアルキル基を有する撥水処理剤がより好ましい。パーフルオロアルキル基を有する撥水処理剤としては、例えば、ダイキン社製商品名ユニダイン、セイミケミカル社製商品名エスエフコートシリーズ、信越化学社製商品名Ｘ−７０−０２９等がある。また、それ以外の撥水処理剤としては、例えば、住友スリーエム社製スコッチガード、旭硝子社製商品名アサヒガード、信越化学社製商品名ＫＰ−８０１Ｍ等がある。撥水処理剤による処理方法は、特に制限されず、例えば、撥水処理剤溶液へ浸漬し、その後乾燥する方法、撥水処理剤溶液を塗布し、その後乾燥する方法等がある。前記撥水処理溶液の濃度は、１〜５重量％とするのが好ましい。前記撥水処理剤溶液に使用する溶媒は、例えば、シンナー等がある。浸漬処理の条件は、例えば、温度１５〜３５℃、浸漬時間２〜１０分であり、好ましくは、温度２０〜２５℃、浸漬時間２〜３分である。前記塗布の方法は、特に制限されず、例えば、スプレー法、スピンコート法、ディッピング法、ロールコータ法等がある。また、浸漬若しくは塗布後の乾燥は、特に制限されないが、例えば、８０〜１２０℃の温度雰囲気下で２〜１０分程度加熱乾燥するのが好ましい。加熱乾燥することで、撥水処理剤を溶融固化させ、ガス拡散膜との結合を強くすることができる。
【００２６】
本発明のガス拡散膜は、その多孔質膜の表面に基材を配置して使用してもよい。前記基材の材質は、前述のとおりである。また、前記基材と多孔質膜は、加圧または加熱加圧により一体化してもよい。この際の条件は、適宜設定できるが、通常、温度２０〜１００℃、圧力０．５〜２０ＭＰａ、加圧時間２〜６０分である。
【００２７】
本発明のガス拡散膜は、固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜として使用される。使用に際しては、電解質膜を介して一対の電極を配置し、前記電極のそれぞれの外側に、本発明のガス拡散膜およびセパレータを配置して、固体高分子電解質型燃料電池を形成する。電極およびセパレータについては、従来公知のものを用いればよい。
【実施例１】
【００２８】
つぎに、本発明の実施例について、比較例と併せて説明する。
【００２９】
図３に示すような穴状の凹部（穴状の凹部は楕円形）が格子状に配列された構造のガス拡散膜を作製した。すなわち、まず、ＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン社製商品名Ｄ２Ｅ）２０重量部とカーボンブラック粒子（東海カーボン社製商品名＃４５００）８０重量部を水媒体で２分間混合した。前記混合液をメタノール中に投入、凝析させ混合物を得た。さらに濾過を行い、１００℃の温度雰囲気下で２時間加熱乾燥し、溶媒を除去した。これに成形助剤（ノルマルドデカン）を重量分率で５５重量％になるよう配合し、金属製の筒に充填して、０．２ＭＰａで加圧成形することで予備成形物を得た。ついで、予備成形物をラム押出し機（ＲＲ＝５０）にて押出し、直径２０ｍｍ、長さ１０ｍの丸棒状押出し物を得た。前記丸棒状押出し物を金属ロール間で圧延し、厚さ０．２ｍｍ、巾１００ｍｍのシートを得た。前記シートを１５０℃の炉内で乾燥し、成形助剤を除去し、厚さ０．１９ｍｍ、巾９０ｍｍの多孔質膜を得た。前記多孔質膜に、照射波長７８０ｎｍ、パルス幅１４０フェムト秒、パルス繰り返し１ｋＨｚのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザを、照射出力３０ｍＷ、照射径２０μｍ、移動速度５００μｍ／ｓで走査させながら、１秒ごとにシャッターの開閉を繰り返し行って、レーザ照射し、表面から裏面に向かって凹部を形成した。その後、純水中で超音波洗浄を行って、本発明のガス拡散膜３０を得た。
【００３０】
前記ガス拡散膜３０を光学顕微鏡で観察したところ、短径２０μｍ、長径５００μｍ、深さ１３０μｍの穴状の凹部３３が等間隔に形成されており、裏面への貫通は見られなかった。なお、凹部３３の間隔は、長径方向５００μｍ、短径方向３００μｍで、その個数は、３００個／ｃｍ2であった。このガス拡散膜３０を用いて燃料電池評価を行った。燃料電池評価に際して、図２の構造の燃料電池セルを作製した。すなわち、０．４ｍｇ／ｃｍ2の触媒活性物質が１０μｍの厚みで担持された電解質膜（デュポン社製商品名Ｎａｆｉｏｎ＃１１７）１５を介して一対の電極１４を、前記電極１４のそれぞれの外側に、裏面が前記電極１４に接するように前記ガス拡散膜３０を、さらにそのそれぞれの外側にカーボンペーパ（東レ製商品名ＴＧＨ−０６０、厚さ２４０μｍ）１６およびセパレータ１１を配置した。なお、電極面積は１２．９６ｃｍ2であり、電池反応評価は、セル温度８０℃、水素ガス０．５リットル／分、０．１５ＭＰａ、空気ガス１．０リットル／分、０．１５ＭＰａの条件で行い、東洋テクニカ株式会社製燃料電池評価装置にて電流密度と電圧との関係を調べた。
【実施例２】
【００３１】
実施例１のガス拡散膜を、ダイキン社製商品名ユニダインＴＧ−７１５を信越化学者社製商品名ＦＲシンナーで３重量％に希釈した撥水処理溶液に浸漬し、その後、ガス拡散膜の外周に付着した余分な撥水処理溶液を濾紙にて除去し、１２０℃の温度雰囲気下で５分間乾燥することで、撥水処理剤でコーティングした。前記撥水処理剤でコーティングしたガス拡散膜を用い、実施例１と同様にして燃料電池評価を行った。
【実施例３】
【００３２】
サファイア・フェムト秒パルスレーザの照射径を１００μｍ、移動速度を１００μｍ／ｓとしたこと以外は、実施例１と同様にしてガス拡散膜を作製した。形成された穴状の凹部は、最大内径１００μｍの円形で、その深さは、１７０μｍ、間隔は、１００μｍ、個数は、１２００個／ｃｍ2であった。なお、凹部の配列は、図４に示すような千鳥状であった。前記ガス拡散膜を用い、実施例１と同様にして燃料電池評価を行った。
【実施例４】
【００３３】
チタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザを、速度１００μｍ／ｓで円移動させるように走査したこと以外は、実施例１と同様にしてガス拡散膜を作製した。形成された穴状の凹部は、最大内径１０００μｍの円形で、その深さは、４０μｍ、間隔は、１０００μｍ、個数は、２５個／ｃｍ2であった。なお、凹部の配列は、図４に示すような千鳥状であった。前記ガス拡散膜を用い、実施例１と同様にして燃料電池評価を行った。
【００３４】
（比較例１）
実施例１の多孔質膜に、レーザ加工により膜の厚み方向に孔径１００μｍの貫通孔を１ｍｍ間隔であけたものについて、実施例１と同様にして燃料電池評価を行った。
【００３５】
（比較例２）
実施例１の多孔質膜（凹部形成無し）について、実施例１と同様にして燃料電池評価を行った。
【００３６】
前記実施例１，２および比較例１，２の燃料電池評価結果を図６のグラフに示す。
【００３７】
図６に示したとおり、実施例では、比較例より、より高い電流密度まで電圧の落ち込みが見られず、より広い電流密度域で高い電池性能が維持できている。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のガス拡散膜は、固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のガス拡散膜の一例の模式断面図である。
【図２】本発明のガス拡散膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池の一例の模式断面図である。
【図３】本発明における穴状の凹部の加工点の配列の一例の模式図である。
【図４】本発明における穴状の凹部の加工点の配列のその他の例の模式図である。
【図５】本発明における溝状の凹部の形状の一例の模式図である。
【図６】本発明のガス拡散膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池の一例の電流密度に対する電圧の変化を示したグラフである。
【図７】固体高分子電解質型燃料電池の一例の模式断面図である。
【図８】従来の固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散膜の一例の模式断面図である。
【図９】従来のガス拡散膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池の一例の模式断面図である。
【図１０】従来のガス拡散膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池のその他の例の模式断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、３０、４０、５０、６３、７０、９０、９６  ガス拡散膜
１１、６１、８１、９１  セパレータ
１２、３２、４２、５２  多孔質膜
１３、３３、４３、５３  凹部
１４、６４、８４、９４  電極
１５、６５、８５、９５  電解質膜
１６、７７、９７  基材
６２、９８  ガス通路
７６  疎水層
９９  水通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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